催化学报：电催化木质素升级转化成高附加值化学品和燃料的研究进展
DOI: 10.1016/S1872-2067(21)63839-1
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近日，《催化学报》在线发表了深圳大学赵伟研究员团队在电催化领域的最新综述文章。该工作综述了近年来木质素电催化升级转化成高附加值化学品燃料方面的最新研究成果。
作为一种典型的、研究最为广泛的可再生能源，木质素具有热值高、富含芳香环等特点，通过先进技术可升级转化成各种高附加值燃料、化工原料和医药中间体。对此，木质素升级转化俨然已成为当今世界的研究前沿。在众多木质素升级转化技术中，传统热催化技术发展最为成熟、研究最为广泛，但其苛刻的反应条件（例如高温、高压等）并不利于此技术的规模化应用和绿色可持续化生产。因此，人们逐步将目光投向了可在常温常压下运行且能利用清洁电力驱动的电催化木质素升级转化技术。运用此技术，有望解决上述两方面问题，对推动未来经济社会发展及实现“碳中和”目标具有重要意义。
1. 概述了木质素研究的重要意义，简介了木质素基本组成单元及连接情况；
2. 概括了电催化木质素升级转化的反应类型/反应路径及木质素的几种典型表征技术;
3. 总结了电催化木质素升级转化研究现状，分析了当前存在的问题并提出了未来的发展方向。图1. 典型木质素结构及结构单元间的化学键（论文中Figure 2）
要点：
木质素是由三种芳香结构单元通过碳-氧-碳键或碳-碳键相互连接起来的一类高分子化合物。如图1所示，结构单元存在H型、G型和S型；碳-氧-碳键存在β-O-4, 4-O-5和α-O-4；碳-碳键存在β-5, β-1, 5-5和β-β。此外，从图1中还可以观察到木质素具有羟基、甲氧基、羧基等官能团。这些连接键及官能团使木质素具有较强化学活性，益于各项技术将其转化成多种高附加值化学品和燃料。
图2. (a) 各催化剂电化学氧化解聚木质素制香草醛产率与电池电压的关系图；(b) NiOOH界面上电催化氧化解聚木质素制香草醛机理；(c) t-BuOOH辅助电解体系中电氧化木质素解聚机理。（论文中Figure 8）
要点：
电催化技术常用于木质素解聚。不论电催化木质素解聚还原反应，还是电催化木质素解聚氧化反应，通常涉及两条电子反应路径：直接电子转移路径和间接电子转移路径。对于直接电子转移路径反应而言，在决定电催化木质素解聚各因素中，电催化剂是最为关键因素之一。例如，经过多年发展，多种多样的电化学氧化木质素解聚催化剂已被开发，包括金属(例如Ni、Cu、Au、Pt等)、金属合金(例如NiSn、PtRu、NiCo等)及金属/金属氧化物混合物(例如Pb/PbO2、Ti/Sb-SnO2、Ti/PbO2等)。值得注意的是，这些催化剂中金属(0)活性组分表面在高电压条件下于碱性电解质中不是特别稳定，会发生转化。如图2(b)所示，在此条件下，金属镍电极直接用于电催化氧化木质素解聚生成香草醛时，其表面会演变成NiOOH。
图3. (a)苯酚、(b)愈创木酚及(c)苯甲醛电催化加氢的可能反应机理。（论文中Figure 9）
要点：
电催化技术也常用于木质素单体转化升级，其中，木质素单体电催化加氢转化升级最为常见。不同木质素单体电催化加氢转化反应机理通常不同。例如，苯酚电催化加氢可能反应机理如图3(a)所示，苯酚首先与4个氢原子耦合得到环己酮，然后与2个氢原子耦合得到环己醇。然而，愈创木酚电催化加氢存在两条可能反应路径(图3(b))：第一条路径，首先通过去甲氧基加氢得到苯酚，然后与4个氢原子耦合得到环己酮进而与2个氢原子耦合得到环己醇，或直接与6个氢原子耦合得到环己醇；第二条路径，首先与4个氢原子耦合得到2-甲氧基环己酮，然后再与2个氢原子耦合得到2-甲氧基环醇进而通过去甲氧基加氢得到环己醇。
全文小结
电催化木质素升级转化是生物质可再生能源高效利用及“碳中和”目标快速实现的有效途径。虽然电催化木质素升级转化已得到长足发展，但其仍存在诸多问题：如，低成本高性能催化剂的开发；绿色高稳定电解质体系的开发；电催化转化过程中的竞争反应（如，电氧化过程中的氧析出反应和过度氧化反应）有效抑制策略；高效电催化木质素升级转化过程（如，反应过程中活性位点的真实状态、反应中间物种）的机理探究；高法拉第效率高电流密度（≥300 mAcm-2）的电催化系统构建。因此，当前迫切需要付出更多的努力、采取切实可行的策略来推动整个领域的快速发展。
赵伟，深圳大学研究员，博士生导师。主要研究方向为：电催化在清洁能源技术领域的应用以及表面催化。荣获深圳市海外高层次引进人才，回国加入深圳大学3年以来，已在化学领域著名期刊Journal of the American Chemical Society, Journal of Physical Chemistry Letters, GreenChemistry, Chemical Engineering Journal等以通讯作者身份发表论文10余篇，发表论文总引用次数1100余次，H-index =18，常年担任多种国际学术期刊审稿人。
课题组链接：https://www.x-mol.com/groups/Wei_Zhao/publications
文献信息：Chenxin Yang, Henan Chen, Tao Peng, Baiyao Liang, Yun Zhang *, Wei Zhao *, Chin. J. Catal., 2021, 42: 1831-1842 (点击链接到Elsevier网站，下载全文）
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撰稿：原文作者；编辑：《催化学报》编辑部
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